[元素系列16]矽和硼的故事,我們雖然像,但不是兄弟(中)

2020-12-05 凱米魔坊

凱米魔坊原創，轉載請和作者聯繫

上次說到了硼烷的複雜結構。今天，我們來繼續看看硼和矽的其他性質吧。

生命所離不開的硼

硼對於生物而言，是一種非常重要的微量元素，它參與植物木質素的合成、維持生物膜結構穩定和功能正常、維持細胞壁結構穩定等，同時它也分布在動物體內的肝、腎、腦等器官和組織中。

那麼，生物體是如何吸收硼元素的呢？

自然界中，硼主要以硼酸鹽的形式存在，硼酸鹽先被植物吸收，植物被動物食用後就成為了動物體內的硼元素，這就是最主要的途徑。自然界的硼元素主要以硼酸鹽和氧化物的形式存在，最常見的硼酸鹽就是硼砂，那麼硼酸及硼砂是如何在自然界穩定存在的呢？

還是「橋」的作用嗎？並不是，能使它穩定下來的一是依靠多聚的硼氧鍵，二是藉助於「配位」的力量，在硼酸）分子中存在三個羥基，當其溶於水時，水電離出來的氫氧根便會「拔刀相助」，單方面提供電子對來穩定硼酸：

而硼在生物體內又是怎樣發揮作用的呢？

硼的化合物可以作為催化劑，促進生物體內物質循環；可以作為信號分子，指揮細胞的生命活動；可以作為調節物質，影響酶的活性……這就是我們無處不在又不可缺少的奇特的硼。

缺少硼元素導致植物抵抗力和抗逆性下降
缺少硼元素導致植物抵抗力和抗逆性下降

能幹的矽

矽為什麼叫「矽」，因為它很貴，當然，這只是我在一本正經地胡說八道，矽的元素名來自於拉丁語的「silex」，意為「石頭」，當中國人了解這一元素時，由於其化合物在土壤中的含量豐富，取以「畦」之意，命名為「矽」。

單晶矽及拋光矽片

說到一個元素，就不得不提及它的發現歷程，而矽的發現還要追溯到十九世紀。根據記載，人類開始嘗試提取矽單質是在1811年，法國科學家蓋-呂薩克嘗試從四氟化矽中提取矽單質，但他並沒有成功，直到1823年瑞典科學家貝採裡烏斯用金屬鉀還原四氟化矽得到了矽單質。矽在地殼中的豐度為0.277，在自然界中位於第二位，僅次於氧。

蓋-呂薩克
貝採裡烏斯

矽位於元素周期表的第四主族，碳的正下方，和碳具有一定的相似性，所以又被歸類為碳族元素。儘管它們在自然界十分普遍地存在著，但是含有這些元素的物質也有可能價值連城，例如：

碳所對應的是其單質金剛石，即鑽石矽對應的是二氧化矽，即水晶這兩種元素的另一個特點就是它們的成鏈傾向，即多個碳原子相連或多個矽原子相連，而碳的成鏈能力強於矽，相關的性質我在下面將會為大家一一介紹。

矽晶體結構

強大的半導體——矽單質

半導體大家可能還是比較熟悉的，說到太陽能發電那估計就家喻戶曉了，小到帶太陽能板的計算器，大到太陽能熱水器或太陽能飛機，這些應用主要得益於矽單質。

太陽能板

單質矽和單質硼一樣，分為晶態矽和無定形矽兩種，無定形矽沒有固定的結構，而晶態矽卻有著如金剛石一樣規則的空間網格狀結構，呈現著具有閃亮光澤的鋼灰色。晶態矽分為單晶矽和多晶矽，它們的硬度很大，但相對的也比較脆，在晶態矽中，單晶矽可以說是世界上最純淨的物質，最高純度可以達到12個9（99.9999999999%）哦~~

無定形矽

矽在常溫下化學性質不活潑，可以與強鹼、氫氟酸以及氫氟酸和硝酸的混合物反應，但如果遇到單純的氧化性酸，矽會發生鈍化，在表面形成一層緻密的氧化物薄膜，阻止了進一步的反應。當溫度升高，矽也開始放棄那一點矜持，開始變得活潑起來，這時的它不僅可以和非金屬反應，甚至可以與部分金屬反應，這些產物就是我們人類活動中的重要參與者：

碳化矽被稱為金剛砂，可以作為耐磨耐火材料；氮化矽可作為耐高溫陶瓷；四氯化矽是生產單質矽的重要中間體；二氧化矽已然成為點綴人們生活的一種飾品……

紫水晶

值得一提的是，當水晶中含有不同微量元素的話會呈現不同的效果。

比如說上圖的紫水晶就因為含有鐵和錳元素而成紫色

綠水晶因為含有鎂和鐵元素成淺綠色

有些水晶中因為含有稀土元素，所以在紫外線照射下會發出螢光。

半導體晶片

矽作為半導體可以導電這很多人都知道了，但是它作為太陽能板是如何發電的呢？

這就要說到愛因斯坦著名的光電效應：原子中的核外電子在吸收一定波長的光後可以發生躍遷甚至電離。

那麼試想一下，如果在相同情況下，一種材料電離的電子多，另一種材料電離的電子少，那麼將這兩種材料連在一起，是不是就可以讓電子從多的地方運動到少的地方，從而實現電子的定向移動，產生電流，達到發電的目的呢？

根據這種思路，人們研究出了N型矽和P型矽，所謂的N型矽就是摻雜了一點磷的矽單質，而P型矽則是摻雜了一點硼的矽單質，這兩種材料就具有剛才所說的性質，具體原理就如下圖所示。（這兩種矽是怎麼協同工作並構成晶片和太陽能板的呢？苯寶寶先挖個坑~以後填上）

太陽能帆板
太陽能發電示意圖

圖中紅色為N型矽，藍色為P型矽，「-」代表電離出的電子

文案：Menheran

編輯：苯寶寶

審核：Menheran、苯寶寶

部分圖片來自網絡，侵刪。

上期回顧：

「元素系列15」矽和硼的故事，我們雖然像，但不是兄弟（上）

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